Novo biossensor de DNA pode desbloquear diagnósticos clínicos poderosos e de baixo custo

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O DNA pode sinalizar a presença ou predisposição a uma série de doenças, incluindo o câncer. A capacidade de sinalizar essas pistas, conhecidas como biomarcadores, permite que os profissionais médicos façam diagnósticos precoces críticos e forneçam tratamentos personalizados. Os métodos típicos de triagem podem ser trabalhosos, caros ou limitados no que podem revelar. Um novo chip biossensor que possui um design preciso e barato pode aumentar a acessibilidade a diagnósticos de alta qualidade.

O biossensor, desenvolvido por pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), da Brown University e do instituto de pesquisa CEA-Leti, financiado pelo governo francês, identifica biomarcadores medindo como ocorre a ligação entre os filamentos de DNA e o dispositivo. O que o diferencia de outros sensores semelhantes é seu design modular, que reduz custos ao facilitar a produção em massa e permitir que os componentes mais caros sejam reutilizados.

Em um artigo do último IEEE International Electron Devices Meeting publicado online, os pesquisadores apresentaram os resultados de um estudo que demonstra a alta sensibilidade e precisão do dispositivo, apesar de sua modularidade, que normalmente está associada a um desempenho reduzido.

Como outros biossensores de DNA, o dispositivo aproveita o fato de que uma única fita de DNA, quando não emparelhada com outra dentro da familiar dupla hélice, é preparada para ligação química. Parte do dispositivo é revestida com fitas simples de DNA. Quando essas “sondas” encontram biomarcadores de DNA que possuem uma sequência genética correspondente ou complementar, as duas fitas se ligam, enviando um sinal que é captado pelo dispositivo.

“Para fazer a medição, precisamos de duas moléculas de DNA. Colocamos uma fita em nosso sensor que é complementar ao DNA alvo, que é a proverbial agulha no palheiro”, disse o pesquisador do NIST Arvind Balijepalli, coautor do novo estudo. .

Quando uma fita de DNA alvo se liga a uma sonda, ela induz uma mudança de voltagem que um dispositivo semicondutor, chamado transistor de efeito de campo (FET), pode medir. Essas mudanças de voltagem podem ocorrer centenas de vezes por segundo à medida que as moléculas entram e saem do sensor.

Devido à sua alta resolução de tempo, esta abordagem pode dizer não apenas se uma fita de DNA está ligada a uma sonda, mas quanto tempo leva para conectar e desconectar – um fator chamado cinética de ligação que é a chave para discernir diferentes marcadores que podem se ligar para a mesma sonda em graus variados.

E com esse método você não precisa de muito espaço para medir muito.

“Esta é uma técnica muito escalável. Em princípio, podemos ter centenas, senão milhares de sensores em uma área de um milímetro quadrado integrados a um dispositivo do tamanho de um smartphone, que é muito menos pesado do que algumas das tecnologias usadas atualmente em clínica”, disse Balijepalli.

Os métodos baseados em FET ainda não atingiram o mainstream, no entanto. Um obstáculo significativo é sua natureza de uso único, que até agora parecia uma necessidade, mas aumenta seu custo.

Da mesma forma que seu rádio fica cada vez mais barulhento conforme você se afasta de uma estação de rádio, os sinais elétricos também ficam mais barulhentos quanto mais tempo eles precisam viajar dentro da eletrônica. O ruído aleatório indesejado captado ao longo do caminho torna o sinal mais difícil de medir.

Para limitar o ruído, as sondas de DNA em sensores baseados em FET são normalmente conectadas diretamente ao transistor, que converte o sinal em dados legíveis. A desvantagem é que as sondas são gastas após serem expostas a uma amostra e, portanto, todo o dispositivo também.

No novo estudo, Balijepalli e seus colegas aumentaram a distância entre as sondas e o transistor para que os elementos mais caros do circuito pudessem ser reutilizados. A penalidade inicial era que a distância poderia aumentar a quantidade de ruído; no entanto, havia muito a ganhar com a escolha do projeto, mesmo além da economia de custos.

“Se o leitor for reutilizável, podemos incorporar uma tecnologia mais sofisticada e obter maior precisão das leituras, e pode interagir com o elemento sensor descartável e barato”, disse Balijepalli.

Como eles previram que o design modular diminuiria a sensibilidade do biossensor, os pesquisadores pegaram uma página do manual da Internet das Coisas (IoT), que acomoda as perdas associadas aos dispositivos sem fio. Os autores do NIST combinaram seus circuitos com um tipo específico de FET de potência extremamente baixa desenvolvido no CEA-LETI, usado em smartwatches, assistentes pessoais e outros dispositivos para amplificar sinais e compensar a perda de sensibilidade.

Para testar o desempenho de seu dispositivo, eles o colocaram em amostras líquidas contendo filamentos de DNA associados à exposição à radiação ionizante nociva. Sondas de DNA complementares adornavam eletrodos conectados ao FET. Em várias amostras, eles variaram a quantidade de DNA alvo.

Os pesquisadores descobriram que a cinética de ligação era sensível o suficiente para fazer medições precisas mesmo em baixas concentrações. No geral, o desempenho do design modular correspondeu ao dos biossensores integrados não modulares baseados em FET.

O próximo passo em sua pesquisa é descobrir se seu sensor pode funcionar de forma semelhante com sequências de DNA variadas causadas por mutações. Como muitas doenças são causadas ou associadas a DNA mutante, essa capacidade é essencial para o diagnóstico clínico.

Outros estudos podem avaliar a capacidade do sensor de detectar material genético associado a vírus, como o COVID-19, que pode sugerir infecção.

Enquanto isso, a nova tecnologia pode representar uma base viável para construir.

“Há uma oportunidade de desenvolver sensores modulares mais sofisticados que são muito mais acessíveis sem sacrificar medições de alta qualidade”, disse Balijepalli.

Com informações de Science Daily.

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